基于信息化的智慧路灯系统构建
来源:用户上传
作者:刘淑平 王伦
摘要：现有的智慧路灯已经进入遥测、遥信、遥控、遥视、遥调的发展阶段，但缺乏完善的信息管理平台。基于信息化的智慧路灯系统优化了路灯的控制策略，以及利用路灯的地理优势服务于智慧城市，实现了信息采集、信息处理、信息公布一体化的信息管理系统。智慧路灯系统可以对路灯信息、交通信息、环境信息等进行采集、分析，并将分析结果通过多种渠道进行公布。人们可以随时随地的查询城市信息，智慧路灯将在照明、交通、环境等多个方面给市民带来便利。
关键词：智慧路灯;路灯管理;交通;环境监测;信息化
中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）02-0246-03
Construction of Intelligent Street Lamp System Based on Information Technology
LIU Shu-ping， WANG Lun
（Computer Department， North China Electric Power University， Baoding 071000， China）
Abstract： The existing intelligent street lamps have entered the development stage of telemetry， remote signalling， telecontrol， remote viewing and telecontrol， but there is no perfect information management platform. The intelligent street lamp system based on information technology optimizes the control strategy of street lamp， and utilizes the geographical advantages of street lamp to serve the intelligent city， realizes the information management system of information collection， information processing and information publication. The intelligent street lamp system can collect and analyze street lamp information， traffic information and environmental information， and publish the analysis results through various channels. People can inquire about city information anytime and anywhere. Smart street lights will bring convenience to citizens in lighting， transportation， environment and other aspects.
Key words： intelligent street lamps; street lamp management; traffic; environmental monitoring; informatization
1 概述
2012年起，我国正式推行智慧城市。随着智慧城市的建设，城市发展的效率也得到了提高。由于路灯竖立在城市的各个地方，因此在智慧城市的建设中，路灯不仅可以提供照明，还可以成为功能强大的互联门户，为智慧城市提供基础。目前，智慧路灯已经进入遥测、遥信、遥控、遥视、遥调的发展阶段，虽然已经实现了“五遥”，但缺乏统一完善的信息管理平台。智慧路灯信息化水平低，导致运维成本高，所以新型智慧路灯不仅提供照明，还要信息化。
张堃[1]设计了一个智能路灯系统，其拥有信息采集模块，可以采集环境信息，掌握城市动态，但他只设计了路灯的控制与环境信息的采集，并未形成系统化的信息管理。何沙[2]设计的智慧路灯管理系统将采集来的信息进行了系统化的管理，但他并未将信息进行公布。本文设计的智慧路灯系统在路灯管理的基础上，集成了信息采集、信息处理、信息公布的功能，让每一个市民都可以查阅信息，为人们的生活带来便利。
2 总体设计
智慧路灯系统分为路灯节点，数据管理中心和信息公布平台三部分。路灯节点通过ZigBee网络与集中控制器进行通信，再由集中控制器与数据管理中心通过GPRS网络进行通信，最后数据管理中心通过Internet将数据上传到信息公布平台。其中，路灯节点主要负责采集数据，数据管理中心主要负责将数据进行整理分析，信息公布平台主要负责将分析结果通过网络进行公布。系统功能图如图1所示。
3 系统实现
3.1 路燈节点
路灯节点以STM32F103作为主控芯片，采用LED灯作为光源，实现对路灯的管理，采集车流量、空闲车位的信息，对环境进行监测以及一些其他应用[3]。每个路灯节点都有自己的编号，并对其进行实时GIS定位，。
3.1.1 路灯管理
智慧路灯最基本的功能就是路灯的管理，包括控制开关、采集能耗等。目前各地路灯管理不一，有的亮度过暗，导致路上行人视野不好，影响交通;有的亮度过高，导致能源浪费。并且路灯后期的维护成本高，巡检差，导致路灯损坏不能及时修理，甚至拖很长时间。 智慧路灯采用LED灯作为光源，采用光敏二极管来采集光的强弱，根据光的强弱自动控制路灯开关，调整亮度[4]。光敏二极管具有单向导电性，根据入射光对光敏特性的PN结的照射强度，形成变化的光电流。利用变化的电流，串接一个电阻，得到变化的电压，通过ADC读取电压，进而得到光强值。系统设置初始阈值，当光强小于阈值时，开启路灯，并通过PWM控制LED灯的亮度。
智慧路灯还会使用ATT7022E芯片采集路灯电参数，包括功率、电压、电流等数据，然后由数据管理中心进行统计能耗以及故障诊断。ATT7022E是一颗多功能三相电能计量芯片，能测量各相电参数。首先通过电压互感器和电流互感器采集路灯的电压和电流，然后将采集到的信号通过采样通道传输给ATT7022E进行计算，最后通过SPI接口连接单片机，完成数据传输。
3.1.2 交通信息采集
人们的出行离不开交通，随着人口的增长，汽车的增多，城市面临交通堵塞、停车位难寻等问题。路灯节点配备摄像头，实时监测当前道路的拥堵情况，并且配备停车位传感器，实时统计未使用的停车位，并将数据传递给数据管理中心。
3.1.3环境信息采集
环境是人们生存的基本保障，这就要求智慧路灯实时监测城市的环境变化。每个路灯节点通过配备各系列传感器来采集环境信息，其中包括空气质量、能见度、体感温度、湿度、风速等，达到实时在线检测和监控城市环境情况的效果。
3.1.4 其他应用
随着新能源的推广，电动汽车逐步增加，利用路灯现有的线路安装充电桩，实现对电动车的随时随地充能。安装一键报警，人们遇到紧急情况时，通过一键报警及时报警，减少人们的损失，提高城市的安防等级。路灯内嵌微基站和WiFi热点，实现城市无线手机信号全面覆盖[5]。
3.2 数据管理中心
数据管理中心把路灯节点采集的数据进行整理分析，存入数据库，为管理人员分析数据提供历史依据，并上传给信息公布平台。
3.2.1 路灯数据管理模块
数据管理中心利用GIS实时对路灯进行定位，操控路灯开关，并且对路灯进行编号。以路灯编号为主键建立数据库表格，同时将路灯的位置、历史功耗、维修次数、使用时间等作为属性一并存入的数据库表格中。数据管理中心可以随时管理路灯信息，实现对路灯的信息化管理。
数据管理中心将路灯节点采集的功率、电压、电流、亮度等信息按照时间段（年、月、周等）进行统计分析，以图表的形式展现出来，方便管理人员进行决策，以制定路灯控制方案，达到节能的效果。并将路灯节点采集到的路灯能耗数据与系统中预存的规律库进行对比，对路灯进行故障诊断，减少路灯的维护成本。当数据管理中心检测到路灯故障时，确定路灯编号，然后把故障信息发布到APP上[6]。
3.2.2 交通数据管理模块
数据管理中心通过分析路灯节点采集到的交通视频来得到当前路段的车流量与车速[7]。首先对视频图像进行预处理，然后设置两条垂直于道路的检测线，一条为进入线，一条为离开线，检测线上的像素值的改变大于设置的阈值时，即判定有车辆，当进入线与离开线先后判定有车辆时，即判定有车辆经过，进而统计车流量。然后用两条检测线的距离除以两条检测线车辆经过的时间差，进而得到车速。
数据管理中心通过某路段的车流量与车速的值判定该路段的拥堵情况，并在信息公布平台上标记各路段的拥挤状况，为司机规划出最优路线，同时将数据传送给交警和交广电台广播，引导交通分流，以便尽快疏通拥挤路段。还可以将停车位信息上传到手机APP，司机可以快速找到停车位，并在手机APP上在线支付停车费。
3.2.3 环境数据管理模块
数据管理中心把路灯节点采集的环境信息存入数据库，并与每年的数据进行比较，分析出环境走势，方便决策者做出决策，并将实时环境数据和分析结果上传到网上，方便人们随时了解生活环境的变化，时刻提醒人们保护环境。
3.3 信息公布平台
信息公布平台通过手机APP、LED电子屏、交广电台广播、微信公众号等进行公布信息，人们可以通过信息公布平台查询交通状况、环境变化，维修工人还可以通过信息公布平台获取维修任务。
3.3.1 手机APP
数据管理中心将收集的数据进行整理分析，并将结果发布到APP上，人们通过APP进行查询，可以了解到环境信息、各路段拥堵情况、空闲停车位等。维修人员通过查看APP，查看自己的维修任务，及时维修路灯，维修完成后在APP上进行维修登记，维修人员还可以通过APP查询路灯维修记录、路灯运行状态等信息。
3.3.2 LED电子屏
LED电子屏安装在车流量大的位置，实现最大曝光率，但不要安装在十字路口，路口交通状况复杂，司机在看LED电子屏的时候可能会发生交通事故{8]。因为司机不会把太多时间放在看LED电子屏上，所以LED电子屏只显示关键字段，比如前方路段拥堵情况、附近几个空闲车位等，方便司机掌握路段前方状况，以便做出决策。
3.3.3 微信公众号
人们可以在公众号中查询交通、环境等信息，并且信息公布平台也可以通过微信公众号推送政府公益信息、失物招领、商业信息等。
4 总结
本文设计了一种基于信息化的智慧路灯系统，通过给路灯配备多种传感器，进而收集路灯信息、交通信息以及环境信息，从而实现智能控制路灯开关，有效地提高照明质量;实现故障自检，降低运维成本;采集交通信息，有效减缓城市拥堵;收集环境信息，掌握环境变化。可以说智慧路灯作为智慧城市的一部分，将在照明、交通、环境等多个方面给市民带来便利。
参考文献：
[1] 张堃.基于无线网络的智能路灯控制系统设计[D].长春：吉林大学，2015.
[2] 何沙.基于云平台的智慧路灯管理系统关键技术研究[D].北京：北京邮电大学，2018.
[3] 刘义平，张明明，张畅，等.智慧路灯建设的实践与思考[J].照明工程学报，2017，28（5）：103-105，111.
[4] 程昌繼，王晓.基于BP神经网络数学算法的智能照明控制应用[J].软件导刊，2015， 14（7）： 83-85.
[5] 郭志英.智慧城市的基础设施建设——智慧路灯[J].智能建筑，2018（3）：39-43.
[6] 张家英.基于物联网的智慧路灯系统设计[J].电子技术与软件工程，2017（22）：103-104.
[7] 谢印庆，姜莉，王鲁云， 等.一种快速车流量检测算法[J].哈尔滨理工大学学报，2016，21（4）：19-24.
[8] 朱应昶，肖辉.城市道路照明智能化研究[J].照明工程学报，2017，28（5）：16-19.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15270155.htm
